海洋中的声、光传播.pdfVIP

第十章海洋中的声、光传播

编辑ppt

1海洋声学

o1.1水声学与海洋声学的开展

o水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好，在含有盐、气

泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距

离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因此，在水下目标探测、

通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。

o发现过程：

o第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，

这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大

力量去研究同潜艇做斗争的手段。

o1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音

接收器。

o1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m

深处一块甲板的回波。

o同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚

研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐

编辑ppt

(sonar)。“声呐〞名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位

o用途：除军事的用途之外，也广泛应用于声导航系

统、探鱼、测深和海底地形测绘、海底底质剖面结

构等方面。目前水声技术已是开发海洋和研究海洋

广泛采用和行之有效的手段，如水下通讯、声遥测

遥控、数据图像传输，以及用声波遥测海洋涡旋的

运动和变化与全球海洋温度的监测等方面。

o声波在海洋中的传播规律与海洋环境的定量关系：

取决于海洋的边界条件、海水的温、盐分布、海水

中含有成分(如MgSO4)对声波的吸收等；而且还

受到海洋动力因素和海洋时空变化的制约。

编辑ppt

1.2海洋声学研究内容

o正问题：

o因海洋中的声速铅直分布不均匀而形成的深海声道传播特性，

以及声的波导传播与非波导传播；

o海水因含MgSO4等化学成分引起的超吸收；

o对远距离传播有极大影响的海底沉积层的声学特性；

o沉积层的分层结构和海底的不平整地形等的反射损失和散射；

o内波引起声传播振幅和相位的起伏；

o海洋水层中浮游生物群和游泳动物的声散射；

o大洋深处的湍流、涡旋对声波传播的影响以及海洋动力噪声、

水下噪声和海洋生物发声等；

o逆问题：

o反过来又可应用上述的声传播信号特征寻求海洋内部的运动规

律和边界状态，如声学方法监测大洋温度等，那么为海洋声学

的逆问题。逆问题在开发海洋和研究海洋方面具有可观的潜力。

编辑ppt

1.3海水中声能的损失

o海水、海面和海底构成一个复杂的声传播空间，

声波通过这个空间时，声信号将减弱、延迟和

失真，并损失局部声能。

o引起声能损失的原因有：声能在空间扩展；海水

介质的吸收；海中气泡、浮游生物和海水团块

的散射；波动海面的反射与散射；以及海底沉

积层的反射和吸收等。

编辑ppt

o1.3.1海水的声吸收

o海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能，

声在流体介质中的传播过程近似地认为是绝热过程。

o根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，

声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者

是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体

介质存在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起

声能耗散称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的

非弹性碰撞使局部声能转变为热能，通常称这局部

声吸收为由分子过程引起的声吸收。

编辑ppt

o1.3.2海面波浪的声散射

o如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射

后，只有相位变化没有能量损失。

o波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声

的散射体。

o海面波浪可看作两局部叠加，即周期波(或准